JP3125124U - 赤外顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の測定対象部位を用意にしかも正確に視野内に捕捉することができる赤外顕微鏡を提供する。
【解決手段】ＦＴＩＲ１と、オートステージ機能とオートフォーカス機能を兼備した試料ステージ移動機構２０を備えた顕微鏡と、低倍率ＣＣＤ内臓実体カメラを含む外部画像取込装置２１と、画像を表示するディスプレイ２３と、これらを制御するＰＣ２２とで構成される。試料の低倍率可視像上の任意の点をマウスでクリックすると、ＰＣ２２の司令によって試料ステージ移動機構２０が駆動され、試料上のその点を光軸の上に自動的に移動させ、その点を画面の中心とする高倍率可視像をディスプレイ２３に表示する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物質の定性・定量分析に使用される赤外分光光度計と組み合わされて、微小試料の顕微分光分析を行う赤外顕微鏡に関する。

赤外顕微鏡は赤外線波長領域で顕微分光を行う装置で、微小試料に適するように、赤外光束をごく小さな面積に集光させるように設計されている。近年、フーリエ変換赤外分光光度計と組み合わせて、フーリエ変換赤外分光法の特長である高感度を利用する赤外顕微鏡が開発されており、このシステムの空間分解能は約１０μｍである。その原理は、フーリエ変換赤外分光光度計（以後ＦＴＩＲと略称する。）の干渉計からの赤外光が、反射鏡を介して赤外顕微鏡に導かれ、凹面鏡を用いて試料上の直径約１ｍｍの円内に集光される。照射された試料面を透過あるいは反射した赤外光束のうち、微小な測定対象部分からの光束のみが、試料部あるいは結像部に置かれた絞り（可変アパーチャ）で選択され、最終的に半導体検出器（ＭＣＴ）に導かれる。半導体検出器（ＭＣＴ）の出力はフーリエ変換され、赤外スペクトルが得られる（特許文献１参照）。

図３に、従来のＦＴＩＲと組み合わされ使用される赤外顕微鏡の例を示す。赤外顕微鏡にはＦＴＩＲ１からの赤外光がミラー２を介して導入される。赤外光は、ミラー２で上方に送られ、凹面ミラー３およびハーフミラー４で反射された後、カセグレン鏡５によって試料ステージ７の上面にフォーカスされるように集光される。試料ステージ７上には試料６が搭載されており、その表面で反射された赤外光は、カセグレン鏡５によって集光され、ハーフミラー４を介して可変アパーチャ８の位置に結像する。可変アパーチャ８によって選択された部分を通過した光は、ハーフミラー１８を透過した後凹面ミラー９によって検出器１０の受光面上に集光される。検出器１０にはＭＣＴ検出器が広く使用され、その出力はＦＴＩＲ１に送られ、フーリエ変換処理を施されて赤外スペクトルが得られる。

可視光による観測のために反射照明用ランプ１３が設けられている。反射照明用ランプ１３にはハロゲンランプが利用されることが一般的である。反射照明用ランプ１３から発した可視光は、ハーフミラー１４および１８によって反射され、ハーフミラー４を透過した後、カセグレン鏡５によって集光されて試料６の上面を照射する。試料６の上面で拡散反射された可視光は、カセグレン鏡５によって集光され、ハーフミラー４を透過し、ハーフミラー１８で反射され、ハーフミラー１４を透過した後、顕微鏡の接眼レンズ１５に到達し、接眼レンズ１５を通して肉眼による試料６の表面の観察が可能となっている。またＣＣＤカメラなどの撮像装置１６を用いて試料６の高倍率可視像の撮影や、ＣＲＴなどのディスプレイ上の表示なども行われている。また、観察する可視像の倍率を変化させるためには、対物反射鏡として用いているカセグレン鏡５の替りに、焦点距離の異なる可視対物レンズ１７を光路上に挿入することが一般的に行われている。

可視光による観察は、赤外顕微鏡の光軸を正確に試料６上の測定点に合致させること、測定するべき範囲にあわせて可変アパーチャ８のサイズを選択すること、そして、試料ステージ手動つまみ１９を用いて試料ステージ７の上下位置を微調節しカセグレン鏡５の焦点位置に正確に試料６を設置させてピントを合わせることなどを主要な目的としている。これらの作業をより簡便に行うために、試料ステージ７を水平面内Ｘ軸方向およびＹ軸方向にモーター等の手段で駆動するオートステージ機能や、Ｚ軸方向の駆動手段を持ったオートフォーカス機能を備えた赤外顕微鏡も使用されている。
特開２００１−１７４７０８号公報

上述した従来法においては、試料の赤外スペクトルを測定する前に必要な試料の位置調節操作が非常に煩雑であるという欠点がある。

通常赤外顕微鏡で測定する試料の測定部分の大きさは１０〜１００μｍであり、顕微鏡の倍率は１０〜１５倍あるいはそれ以上に設定される。このような高い倍率では顕微鏡の視野が非常に小さいため、試料ステージの位置を微調節して短時間に目的の箇所を視野内に捉えることが困難である。この困難を軽減するために、あらかじめ試料上の目的の箇所の近傍に目印を付け、これを指標として探索する方法や、数倍の低倍率の対物レンズで観測しながら目的の箇所を視野の中心に捕捉した後、対物レンズを高倍率の対物鏡に切り替えて再度位置を微調節する方法が取られている。しかし、目印をつける方法は、試料を傷つけたり汚染する危険がある。また、赤外顕微鏡の結像面は可変アパーチャ面上に固定されているため、低倍率の対物レンズの焦点距離に制約があり、適当な低倍率の対物レンズを選ぶことが困難である。

本考案は、上記の問題を解決して、試料上の目的の箇所を容易にしかも正確に顕微鏡の光軸上に設定できる赤外顕微鏡を提供するものであり、試料を可視光によって照明する手段と、前記試料の可視像を観察する手段を有する赤外顕微鏡において、試料の低倍率可視画像を取得し記憶する外部画像取込装置と、前記可視画像上で指定された前記試料上の任意の位置に光軸が一致するべく前記試料を移動させる試料ステージ移動機構と、前記低倍率可視像と顕微鏡で得られる高倍率可視像を同時に表示する表示機構とを備えたことを特徴とする。

あらかじめ試料上の目的の箇所の近傍に目印を付けたり、数倍の低倍率の対物レンズに切り替えて試料ステージの位置を粗調節するなどの煩雑な操作を必要とせず、簡単に低倍率画像上で指定した試料上の任意の位置を光軸上に位置させ、その点を中心とした高倍率顕微鏡画像を得ることができ、しかも、正確にその点を中心とした微小領域の赤外スペクトルの測定が可能となる。また、低倍率画像に含まれる範囲であれば、その上での位置の指定は何度でも繰り返すことができるため、試料ステージ上の試料を搭載し直すことなく、複数の箇所の測定を繰り返すことが可能となる。

本考案はその目的を実現するために、ＦＴＩＲと、オートステージ機能とオートフォーカス機能を兼備した試料ステージ移動機構を備えた顕微鏡と、独立した撮像装置を含む外部画像取込装置と、画像を表示するディスプレイと、これらを制御するＰＣとで構成される。

本考案の１実施例を図１に示す。本図に示した顕微鏡の光学系は基本的には図３に示した従来技術と共通である。ＦＴＩＲ１からの赤外光はミラー２を介して導入される。赤外光は、ミラー２で上方に送られ、凹面ミラー３およびハーフミラー４で反射された後、カセグレン鏡５によって試料ステージ７の上面にフォーカスされるように集光される。試料ステージ７上には試料が搭載されており、その表面で反射された赤外光は、カセグレン鏡５によって集光され、ハーフミラー４を介して可変アパーチャ８の位置に結像する。可変アパーチャ８によって選択された部分を通過した光は、ハーフミラー１８を透過した後凹面ミラー９によって検出器１０の受光面上に集光される。検出器にはＭＣＴ検出器が広く使用されている。検出器１０の出力はＦＴＩＲ１に送られ、フーリエ変換処理を施されて赤外スペクトルが得られる。

ハロゲンランプを利用した反射照明用ランプ１３から発した可視光は、ハーフミラー１４および１８によって反射され、ハーフミラー４を透過した後、カセグレン鏡５によって集光されて試料の上面を照射する。試料の上面で拡散反射された可視光は、カセグレン鏡５によって集光され、ハーフミラー４を透過し、ハーフミラー１８で反射され、ハーフミラー１４を透過した後、顕微鏡の接眼レンズ１５に到達し、接眼レンズ１５を通して肉眼による試料の表面の観察が可能である。またＣＣＤカメラを用いた撮像装置１６が装備されておりこれによって得られた試料の高倍率可視像信号が、後述するＰＣ２２に送られ、記憶され、必要に応じてディスプレイ２３上に表示できる。また、観察する可視像の倍率を変化させるためには、対物反射鏡として用いているカセグレン鏡５の替りに、焦点距離の異なる可視対物レンズ１７を光路上に挿入使用できる。

顕微鏡には試料ステージ移動機構２０が備えられている。試料ステージ移動機構２０はステージを左右（Ｘ軸方向）、前後（Ｙ方向）、上下（Ｚ方向）に移動させる３個の独立したステッピングモーターを備えており、ＰＣ２２の指令によって駆動される。Ｘ−Ｙ方向の移動は、試料の測定対象箇所を光軸上に移動させるためであり、Ｚ方向の移動は、試料をカセグレン鏡５の焦平面にあわせるフォーカシングのためである。

外部画像取込装置２１は、ＣＣＤカメラ内蔵の低倍率実体顕微鏡と、試料台と、試料台上に着脱可能に搭載される試料ホルダーとで構成されており、実体顕微鏡で得られた試料の可視像はＰＣ２２に送られ、記憶される。ここで使用される試料ホルダーを試料台に搭載したとき、試料ホルダーの中心点はＣＣＤカメラの像の中心点に必ず一致するように設計製作されている。また、顕微鏡の試料ステージ７上に上記の試料ホルダー２５を搭載した場合は、試料ステージ７に設けられた機械的ストッパーによって試料ステージ７上での試料ホルダー２５の位置は常に正確に同一位置となる。試料ステージ７の初期位置においては、その上に搭載された試料ホルダー２５の中心点が光軸上に一致する。

ディスプレイ２３には、ＰＣ２２の指令により試料の可視画像が表示される。表示される画像は、外部画像取込装置２１で得られる低倍率可視画像、あるいは撮像装置１６で得られる高倍率可視画像、あるいはこれらを並べた画像などで、ＰＣ２２によって表示される画像が選択される。実質長が正確に知られたスケールを外部画像取込装置２１で撮像し、これをディスプレイ２３で表示し、画像上のスケール長と実質長の比Ｒを求めるプログラムがＰＣ２２に含まれている。また、ＰＣ２２は、外部画像取込装置２１で得られた画像を任意の拡大率で拡大してディスプレイ２３で表示する機能を持つ。さらに、ディスプレイ２３上に表示された外部画像取込装置２１による画像の上の任意の点にポインタを設置し、マウスをクリックすると、この点に対応する試料ホルダー２５上の点が顕微鏡の光軸上に位置するように試料ステージ移動機構２０がＰＣ２２によって駆動される。

実際の測定操作は以下の手順に従って行われる。
（１）まず、上記のスケールを外部画像取込装置２１で撮像し、比Ｒを求める。
（２）試料を試料ホルダー２５上に固定し、これを外部画像取込装置２１の試料台の上に置き、ＣＣＤカメラ内蔵実体顕微鏡で試料の画像を撮像する。この画像をディスプレイ２３上に、必要ならば拡大して表示する。このときの低倍率画像の１例を図４（ａ）に示す。
（３）試料ステージ７を初期位置に移動させ、このときの撮像装置１６による高倍率可視画像をディスプレイ２３上に並べて表示する。このとき、外部画像取込装置２１による低倍率画像の中心点と、撮像装置１６による高倍率画像の中心点は、試料上の同一の点を示している。このときの高倍率画像の例を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）における白線枠Ａの領域が図４（ｂ）に拡大表示されている。
（４）ディスプレイ２３上の低倍率画像上で試料上の測定点を決定し、この上にマウスポインタを置きクリックする。これによって試料ステージ移動機構２０が始動し、試料上の測定点が顕微鏡の光軸上に移動し、同時に測定点を中心とした高倍率画像が撮像装置１６によって撮像され、ディスプレイ２３に表示される。この例を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）の白線枠Ｂの中心にポインタを置いてクリックすることによって、白線枠Ｂが図４（ｃ）の大きさに拡大表示されている。このとき試料ステージ７を移動させる距離と方向は、低倍率画像上での中心点から測定点までの方向と距離と、手順（１）で求めた比Ｒを用いてＰＣ２２が計算によって求める。
（５）試料ステージ移動機構２０を駆動して試料ステージ７をＺ軸方向に微調整して撮像装置１６の画像のコントラストが最大となる位置を求め、その位置で試料ステージ７を固定する。
（６）可変アパーチャ８の開孔サイズを最適に選択する。
（７）反射照明用ランプをＯＦＦにしてシステムを測定モードに設定し、赤外スペクトルを測定する。
（８）同じ試料上で他の測定点があれば、その測定点に対して手順（４）以下を繰り返す。

上記の構成および測定操作によって、本考案にかかる赤外顕微鏡を用いて、短時間に容易に、しかも正確に試料の測定点を顕微鏡の視野に捕捉し、赤外スペクトルを測定することができる。

図２に本考案の第２の実施例を示す。図１の実施例は、試料から反射する赤外光のスペクトルのみを測定するが、図２の実施例は透過スペクトルと反射スペクトルの双方を測定できる装置の実施例である。本実施例では、反射スペクトル測定と透過スペクトル測定を切り替えるための切替ミラー２４が設けられている。反射スペクトル測定の場合には切替ミラー２４は図２の実線のように配向され、ＦＴＩＲ１からの赤外光を上方に反射する。この場合の装置の動作は先に述べたとおりである。透過測定の場合は、切替ミラー２４は９０度回転されて図２の点線で示すように配向され、赤外光は下方に反射される。この赤外光は、凹面ミラー１１によって集光され、試料ステージ７の下方に置かれたカセグレン鏡１２によって試料ステージ７および試料ホルダー２５に保持された試料に下方からフォーカスされる。試料を拡散透過した赤外光はもうひとつのカセグレン鏡５によって集光されて、ハーフミラー４を介して可変アパーチャ８の位置に結像する。可変アパーチャ８によって選択された部分を通過した光は、ハーフミラー１８を透過した後凹面ミラー９によって検出器１０の受光面上に集光される。検出器１０の出力はＦＴＩＲ１に送られ、フーリエ変換処理を施されて赤外スペクトルが得られる。
そのほかの要素の反射照明用ランプ１３、撮像装置１６、接眼レンズ１５試料ステージ移動機構２０、外部画像取込装置２１、ＰＣ２２、ディスプレイ２３の構造および動作は、実施例１の場合と同様である。

本考案の特徴は上記のとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではなく、他の種々の変形例を含む。たとえば撮像装置および外部画像取込装置にＣＣＤカメラを利用しているが、このほかにＣＭＯＳ検出器を使用する方法も含まれる。また、上記の測定手順（１）で使用されるスケールは、上記実施例のような独立したものではなく、試料ホルダーに描刻された目盛りで代用することも可能である。

本発明は、物質の定性・定量分析に使用される赤外分光光度計と組み合わされて、微小試料の顕微分光分析を行う赤外顕微鏡に関する。

本考案の第１の実施例の模式図である。 本考案の第２の実施例の模式図である。 従来の赤外顕微鏡の模式図である。 本考案の装置による試料撮像写真の例である。

符号の説明

１ ＦＴＩＲ
２ ミラー
３、９、１１ 凹面ミラー
４、１４、１８ ハーフミラー
５、１２ カセグレン鏡
６ 試料
７ 試料ステージ
８ 可変アパーチャ
１０ 検出器
１３ 反射照明用ランプ
１５ 接眼レンズ
１６ 撮像装置
１７ 可視対物レンズ
１９ 試料ステージ手動つまみ
２０ 試料ステージ移動機構
２１ 外部画像取込装置
２２ ＰＣ
２３ ディスプレイ
２４ 切替ミラー
２５ 試料ホルダー

Claims (1)

1. 試料を可視光によって照明する手段と、前記試料の可視像を観察する手段を有する赤外顕微鏡において、試料の低倍率可視画像を取得し記憶する外部画像取込装置と、前記低倍率可視画像上で指定された前記試料上の任意の位置に光軸が一致するべく前記試料を移動させる試料ステージ移動機構と、前記低倍率可視像と顕微鏡で得られる高倍率可視像を同時に表示する表示機構を備えたことを特徴とする赤外顕微鏡。